未來軍用衛(wèi)星向著一箭多星技術，多樣化方向發(fā)展

過去幾十年間，美國空軍的軍用衛(wèi)星系統(tǒng)都處于世界領先地位，但是在國防預算緊縮的背景下，平均花費數(shù)十億美元、歷時多年的軍用衛(wèi)星發(fā)展模式也受到了國內(nèi)反對派的置疑，要求美國空軍對空間項目進行調(diào)整改革。盡管面臨各種壓力，2015年4月，美國空軍還是在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)12顆新型衛(wèi)星中第九顆“GPS IIF－9”衛(wèi)星，這顆迄今最先進的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星具備更強大、更準確的導航能力，標志著美國空軍的空間戰(zhàn)略改革進入了實質(zhì)階段。

DSP衛(wèi)星主要用于導彈預警

國防支援計劃（DSP）為美軍奉獻了多顆衛(wèi)星。DSP預警系統(tǒng)衛(wèi)星屬于地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），用紅外傳感器檢測導彈和助推羽流的熱量，可為美國國家指揮機構和作戰(zhàn)司令部提供導彈發(fā)射和核爆炸的早期監(jiān)測和預警探測，并將數(shù)據(jù)傳送給美軍作戰(zhàn)部隊使用。由于DSP衛(wèi)星每10秒鐘就可以掃描一次整個地球表面，對火山噴發(fā)、森林大火等自然災害有很強的監(jiān)測和預警能力，因此DSP的紅外傳感器也可以作為民用預警系統(tǒng)使用。目前，航空航天公司已經(jīng)把DSP用于公共安全危害援助系統(tǒng)（HSS）。

1970年11月，美國空軍用“大力神－IIIC”火箭發(fā)射了第一顆DSP預警系統(tǒng)衛(wèi)星，之后30多年時間內(nèi)共發(fā)射了20顆，進行了5次重大的技術革新。1991年海灣戰(zhàn)爭期間，DSP衛(wèi)星探測到伊拉克“飛毛腿”導彈發(fā)射，及時向聯(lián)軍、以色列和沙特阿拉伯的居民提供了幾分鐘的警報，美軍空中導彈防御部隊發(fā)射“愛國者”導彈擊落了多枚“飛毛腿”導彈。2007年11月，在人類發(fā)射人造衛(wèi)星50周年之際，美國空軍使用德爾塔－Ⅳ火箭發(fā)射了最后一顆DSP系列導彈預警衛(wèi)星DSP－23。早在1995年，美國空軍就開始尋找DSP的接班人，研發(fā)了戰(zhàn)區(qū)進攻與發(fā)射預警系統(tǒng)（ALERT），用來向美國和盟軍提供近程彈道導彈進攻的高質(zhì)量預警信息。

最終，洛克希德·馬丁公司的天基紅外預警系統(tǒng)（SBIRS）成為DSP預警系統(tǒng)衛(wèi)星的取代者，其由大型專業(yè)地球靜止軌道人造衛(wèi)星和其他軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)組成。2011年中期，美國發(fā)射了第一顆SBIRS衛(wèi)星，該星呈球型，重5600磅，裝有寬視野紅外掃描探測器和窄視野多色凝視探測器，具備數(shù)字信號處理能力，和DSP衛(wèi)星相比，能夠為導彈發(fā)射探測和攔截目標定位提供更精確的制導數(shù)據(jù)。但是由于系統(tǒng)本身存在諸多問題，研發(fā)經(jīng)費成倍激增，這顆衛(wèi)星比預計發(fā)射時間推遲9年。2012年，天基紅外預警系統(tǒng)預算經(jīng)費大幅增加，美國政府責任署（GAO）最近的一份報告指出，雖然每顆衛(wèi)星的研發(fā)經(jīng)費有所縮減，但是技術研發(fā)和軟件合成的費用相加也達到了30億美元，以保證到2025年SBIRS系統(tǒng)的所有衛(wèi)星都能投入運轉(zhuǎn)。

GPS III衛(wèi)星2015年首次發(fā)射

GPS衛(wèi)星系統(tǒng)目前由31顆軌道衛(wèi)星組成，提供定位、導航、授時數(shù)據(jù)，特別適合為空中武器系統(tǒng)精確制導。目前，美國空軍的GPS信號已經(jīng)實現(xiàn)了軍民通用。到2012年6月，美國2顆Block IIA衛(wèi)星已經(jīng)服役了20年，由于這種4000磅的衛(wèi)星相當昂貴，所以空軍只購買了2顆。

2010年5月，美軍發(fā)射了GPS IIF的第1顆衛(wèi)星，比計劃推遲了4年。2011年7月發(fā)射了第2顆，2012年10月發(fā)射了第3顆，第9顆已于2015年發(fā)射。GPS IIF衛(wèi)星雖然比上一代的定位精度提高了2倍，地面接收機的精確度已經(jīng)小于3米，但是仍存在許多問題：GPS IIF－1衛(wèi)星遇到天線樣式和發(fā)射機構等問題，GPS IIF－2的導航銫原子鐘也存在技術問題。由于合同商在GPS IIF衛(wèi)星的建造過程中缺少專業(yè)技術和項目監(jiān)管，存在太多技術問題，項目成本增加了一倍，從原來的7.29億美元激增至17億美元。

美國空軍近幾年一直在推進GPS IIF的下一代衛(wèi)星GPS III衛(wèi)星的研發(fā)進程，計劃采購32顆GPS III衛(wèi)星，并要求在2015年發(fā)射首顆衛(wèi)星，隨之進行重要的技術改造。美國空軍空間司令部指揮官威廉·L·謝爾頓將軍希望GPS III計劃成為執(zhí)行項目成本和研發(fā)計劃的“典范”，空軍提出精確的需求，承包商使用成熟的技術和研發(fā)的監(jiān)管，使GPS III建設步入正軌，確保上一代GPS衛(wèi)星退役后不發(fā)生斷代。但是由于導航有效負載數(shù)據(jù)的設計和技術問題，GPS III首顆衛(wèi)星SV 01的組件集成在2015年5月剛剛完成，發(fā)射時間被迫推遲到2016年，交付給美國空軍的時間也相應推遲。

“軍事星”的后繼者AEHF

美國空軍的軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（軍事星）由5顆衛(wèi)星組成，冷戰(zhàn)時期負責核戰(zhàn)爭條件下的三軍保密通信，傳送美國的核指令，目前的應用重點由應付核戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略通信轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)戰(zhàn)術通信。“軍事星”每顆重10000磅，加載了核防護措施，在核戰(zhàn)爭環(huán)境下也能正常工作?！败娛滦洽颉蓖ㄐ蓬l率選用EHF極高頻毫米波段，采用自適應調(diào)零天線技術、星上再生處理技術和擴頻、跳頻技術，抗干擾能力超強。

由于超高的技術需求，目前“軍事星”還存在許多問題。美國空軍原計劃采用轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星（TSAT）取代“軍事星”，但是花費了數(shù)10億美元之后，TSAT仍在研制階段。之后，美國空軍計劃用“先進極高頻（AEHF）”衛(wèi)星取代“軍事星”。2010年8月，美國空軍和洛克希德·馬丁公司組成的聯(lián)合團隊成功將“軍事星”衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成先進極高頻衛(wèi)星任務，并簽訂了6顆AEHF衛(wèi)星的研制合同。

2010年8月，美國使用“宇宙神－5”火箭成功發(fā)射首顆AEHF衛(wèi)星，第3顆衛(wèi)星于2013年9月發(fā)射，美軍軍用通信衛(wèi)星更新?lián)Q代邁出關鍵一步，目前已有3顆衛(wèi)星在軌，剩余3顆正在生產(chǎn)中。AEHF衛(wèi)星重14000磅，在“軍事星”基礎上進行了諸多改進，可以擔負戰(zhàn)略通信和士兵在戰(zhàn)場上的戰(zhàn)術通信任務，也可以用于核戰(zhàn)爭環(huán)境下。該星使用新型相控陣天線、先進的集成電路、更有效的波形以及嶄新的天基推進器，使得噪音管理更加清晰，作戰(zhàn)效能提高了10倍，并可以與“軍事星”兼容，支持機載、艦載、車載和便攜式多種終端，可為6000個終端和4000個網(wǎng)絡提供服務。

美國使用宇宙神5號運載火箭成功發(fā)射GPS衛(wèi)星

但是，AEHF衛(wèi)星研發(fā)也存在一些問題，比如首顆衛(wèi)星發(fā)射比原定計劃推遲了4年，發(fā)射成本也比原計劃的50億美元增加了10億美元，而且由于推進系統(tǒng)故障，AEHF衛(wèi)星發(fā)射后用了1年時間才進入最終軌道。這些問題都需要洛·馬公司在研制AEHF-5和AEHF-6時加以解決，比如要努力降低美國空軍的發(fā)射風險，未來兩顆衛(wèi)星的研發(fā)成本也需要進一步降低。

AEHF軍用通信衛(wèi)星對“戰(zhàn)斧”下達命令只需0.03秒

WGS衛(wèi)星支援軍事通信

國防通信衛(wèi)星系統(tǒng)（DSCS）是美軍全球軍事通信的骨干衛(wèi)星，用于重要軍事終端與國家指揮機關間的聲音、數(shù)據(jù)、數(shù)字和電視傳輸，為大容量固定用戶提供超高頻音頻和高數(shù)據(jù)率保密通信。第1顆DSCSⅢ衛(wèi)星于1982年入軌，2003年發(fā)射了最后一顆，目前有8顆DSCS衛(wèi)星仍在地球靜止軌道運行，但是都已經(jīng)達到了服役壽命。

美國空軍計劃用寬頻全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS）填補DSCSⅢ和其他研發(fā)中的更先進衛(wèi)星之間的空白，在未來幾十年內(nèi)承擔美軍的通信任務。WGS衛(wèi)星由加利福尼亞州艾爾斯貢杜的波音衛(wèi)星制造公司研制，每顆重7600磅，與國防通信衛(wèi)星的數(shù)據(jù)容量相同，目前已經(jīng)有4顆在軌，未來將形成10顆在軌的衛(wèi)星系統(tǒng)，是空軍未來主要的通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

WGS衛(wèi)星可轉(zhuǎn)發(fā)Ka波段和X波段頻率信號，通信容量是DSCS衛(wèi)星系統(tǒng)的10倍，在軌運行的3顆WGS衛(wèi)星即可處理五角大樓90%的寬帶需求。WGS衛(wèi)星還具備“交叉頻段”能力，能夠以一種頻率接收數(shù)據(jù)，以另一種頻率發(fā)布數(shù)據(jù)，支持更多的終端類型用戶。2012年1月，美國空軍發(fā)射了WGS－4衛(wèi)星，2015年7月24日，美國空軍利用“德爾塔”-4火箭成功發(fā)射了第7顆WGS－7衛(wèi)星。WGS－7衛(wèi)星由波音公司制造，發(fā)射造價4.45億美元，是目前最先進的一顆軍用寬頻通訊衛(wèi)星。

美國國防部太空暨任務系統(tǒng)中心（SMC）軍用通訊衛(wèi)星主任羅伯特·塔爾頓表示，美國國防部預計在2018年之前再發(fā)射3顆WGS衛(wèi)星，這10顆全球軍用寬頻衛(wèi)星可讓在世界各地的美國士兵、飛行員和海陸人員，隨時能做點對點或多對多的無縫接軌通訊。WGS星座的10顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋，可以同時支援X及Ka波段的頻率，還可以無縫的跨越和連結(jié)這些頻寬，除了可以提供軍用戰(zhàn)術通訊及支援多項軍事行動之外，還可以在必要時協(xié)助國際人道救援任務。

命運多舛的軍用氣象衛(wèi)星

國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）從1962年開始為軍方提供氣象數(shù)據(jù)，由于沒有合適的繼任型號，美軍決定繼續(xù)使用至2020年。2009年10月，洛克希德·馬丁公司發(fā)射的F－18 Block 5D－3衛(wèi)星是DMSP的第7代型號，用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術氣象預報，以援助美軍在海、路、空制定作戰(zhàn)計劃，尖端傳感器套件可對可見光和紅外云層進行成像，每6小時可提供一次全球衛(wèi)星云圖。DMSP還能測量降雨、地表溫度、土壤濕度，可以全天候收集專業(yè)的全球氣象學、海洋學、太陽－地球物理學信息，具有強大的星載計算機增強型存儲和航天器自動化能力。美國空軍共計發(fā)射了50顆DMSP衛(wèi)星，大部分已經(jīng)超過了服役年限，目前在軌的有2顆極地軌道的DMSP衛(wèi)星以及4顆備用衛(wèi)星，另外還有2顆在軌儲備衛(wèi)星，用于在未來幾年替換服役期滿的DMSP衛(wèi)星。

1994年，克林頓政府要求美國空軍與諾·格宇航系統(tǒng)公司共同開發(fā)“國家極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”（NPOESS），該系統(tǒng)由紅外天氣預報傳感器和交叉跟蹤紅外探測器等傳感器系統(tǒng)組成，紅外光譜信息通道有1000個，具有極高的水平空間分辨率，溫度分布測量精度達到近1K，用來滿足軍用和民用氣象預報需要。但是在經(jīng)歷了16年時間并花費了數(shù)百億美元之后，白宮在2011財年中止了這項計劃。

NPOESS失敗之后，2010年6月，空軍向國會提交了DWSS氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的初步要點：DWSS系統(tǒng)計劃使用諾·格宇航系統(tǒng)公司建造的衛(wèi)星平臺，攜帶可見光成像儀輻射組件、太空環(huán)境監(jiān)視傳感器和微波傳感器等10臺氣象與氣候儀器，預計在2018年發(fā)射。2012年1月，美國空軍宣布結(jié)束國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)（DWSS）的研發(fā)工作，該項目從立項到取消僅持續(xù)1年時間。

軍用衛(wèi)星發(fā)射改革前景

目前，美國空軍的衛(wèi)星系統(tǒng)建設既有強大的通信能力，又或多或少存在一些問題。謝爾頓在一次演講中提到，美軍以往的衛(wèi)星研發(fā)要求一顆衛(wèi)星具備所有功能，設計壽命也過長，造成了研發(fā)成本的浪費。從安全角度考慮，在軌衛(wèi)星越多，受到攻擊的可能性就越小，因為對手很難將其全部擊毀。新型采購模式能夠縮減預算，使空軍選擇性地采購先進系統(tǒng)，在美軍軌道航天器面臨的威脅持續(xù)增加的背景下，低成本系統(tǒng)也能間接提高安全系數(shù)。未來的軍用衛(wèi)星將大量運用一箭多星技術，并向小型化、多樣化方向發(fā)展，通過降低發(fā)射載荷控制衛(wèi)星研發(fā)和推進系統(tǒng)成本。天基空間監(jiān)視衛(wèi)星（SBSS）等大型衛(wèi)星將從美軍退役，DMSP氣象衛(wèi)星、導彈預警衛(wèi)星也將向小型化發(fā)展。但是并非所有的衛(wèi)星都要小型化，地球靜止軌道還將以大型衛(wèi)星為主。美國空軍空間司令部指揮官威廉·L·謝爾頓將軍在科羅拉多州斯普林斯市舉行的國家空間研討會上表示，美軍下一代軍用衛(wèi)星將具備小型化、簡易化的特征，商用宇宙飛船也將為美軍運送軍用載荷，成為20世紀50年代空軍發(fā)射人造衛(wèi)星以來最大的一次變革。

美國空軍空間與導彈系統(tǒng)中心（SMC）主任埃倫·M·帕夫利克夫斯基中將支持謝爾頓的觀點，認為美軍應當運用全新的空間任務模式，提高項目研發(fā)的靈活性和經(jīng)濟性。美國空軍正在尋求“共享搭載”的發(fā)射模式，使用民用運載火箭為軍方發(fā)射載荷，商用衛(wèi)星也要通過高技術手段嵌入軍事功能。2011年9月，美國空軍在商業(yè)紅外傳感器（CHIRP）上開始了首次嘗試，在阿里亞娜火箭發(fā)射的SES衛(wèi)星公司的商用衛(wèi)星上加裝了紅外導彈預警系統(tǒng)。CHIRP研發(fā)時間僅為39個月，創(chuàng)造了美軍相關研發(fā)的速度紀錄，雖然還處于實驗階段，但是卻預示著未來發(fā)展方向。“共享搭載”的概念適用于導彈預警、氣象預報、空間報知和多種通信衛(wèi)星，是未來空軍衛(wèi)星體系的重要組成部分。